压裂工具动态模拟试验信息处理方法研究

为保障压裂施工作业时压裂工具的可靠性,设计了压裂工具动态模拟试验信息监测系统。该系统可实时监测压力、流量和砂比等参数,同时提出了判断压裂工具冲蚀破坏的数据融合方法。系统采用分布式设计方案,上位机监测软件采用多传感器数据融合技术进行数据处理,消除了传感器不确定性误差对系统的影响;下位机采用PROFIBUS总线实现与现场设备之间的数据通信。现场应用结果表明,通过监测数据可判断压裂工具是否发生冲蚀破坏,有效预防压裂事故发生。     

空气钻井随钻信息处理方法研究

为了保障空气钻井的正常钻进和井场安全,设计了基于无线通讯和总线技术的空气钻井随钻信息监测系统,建立了井下燃爆检测数学模型。系统采用工业级无线数据发送接收模块实现工业计算机和数据采集模块的数据交互,下位机通过485工业控制总线连接数据检测模块,通过无线传输模块实现现场数据的被动查询;上位机检测软件采用多传感器数据融合技术进行数据处理,有效地消除了信息模糊性和传感器不稳定对系统的影响。现场应用表明,系统能够及时发现油气层和预防可燃、有毒气体的泄漏,可进行井下出水、卡钻等事故的判别。     

全通径滑套分段压裂工具耐冲蚀性能试验研究

结合全通径分段压裂滑套工具现场使用工况,设计了一套适用于大排量、高砂比、长时间冲蚀模拟试验装置以及性能验证装置,试验时平均排量4.5~6.0 m3/min,含砂体积分数20%~30%,有效冲蚀时间达到24 h,充分模拟了全通径分段压裂滑套和开关工具的耐冲蚀性能,并深入分析了工具各项性能指标。试验结果表明,滑套孔眼中轴向冲蚀较周向冲蚀更为严重;开关工具经冲蚀后液缸边角位置发生一定的冲蚀磨损,经联机及密封测试后,滑套密封压力仍稳定在70 MPa,开关工具锁块仍能顺利伸缩,并成功多次打开、关闭滑套。全通径滑套分段压裂工具经长时间、大排量、高砂比冲蚀后,工具性能均能满足使用要求。     

QPQ表面处理技术及提高工具耐冲蚀性能试验研究

为了提高海洋石油用井下工具的耐磨和耐冲蚀性能,采用理论和试验方法,开展了4145材质的QPQ表面处理技术的应用研究和耐冲蚀性能试验研究。结果表明:在模拟现场压裂作业工况(高砂比、大排量)下,QPQ处理工具的平均冲蚀厚度约3 mm,QPQ处理的工具较磷化处理的工具有较高的耐腐蚀性能和良好的自润滑性能。QPQ处理后的整套压裂工具在渤海油田某井成功应用,满足压裂作业的要求。     

高压管汇动载冲蚀过程磁记忆检测定量研究

针对页岩气开采压裂作业中恶劣工况下极易产生冲蚀损伤的高压管汇在线检测问题，采用自主研发的可施加动载拉伸应力的冲蚀磨损试验机进行了室内固液两相流冲蚀试验，并基于磁记忆检测技术，对常用高压管汇材料35CrMo冲蚀过程进行了在线检测。研究结果表明：在颗粒冲蚀磨损和脉动拉伸疲劳的耦合作用下，试样冲蚀区域出现静载作用下未观察到的宏观裂纹；试样受动载作用时的冲蚀破坏比静载作用时的冲蚀破坏更为严重，冲蚀过程中冲蚀坑深度和磨损量都显著大于静载作用时相应数值；对冲蚀过程中的磁记忆信号进行降噪和梯度处理，信号梯度峰值与冲蚀坑深度呈正线性相关，信号梯度积分值与冲蚀磨损量也呈正线性相关。所得结论可为压裂现场恶劣工况下的高压管汇在线检测提供参考。     

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针对目前油气田旧压裂仪表车普遍存在的监测系统不完善、监测数据不通用、无实时诊断处理技术及国外新版监测系统价格昂贵的情况，研制开发了一套压裂实时监测及诊断技术处理系统。该系统能实时采集压裂施工所有数据和曲线显示，并能进行裂缝模型判断、压裂压力曲线分析、变排量处理和压降处理，经现场40余井次的应用表明该系统性能稳定，采集及处理的数据准确，对现场施工和优化设计有重要的指导意义，有广阔的推广应用前景。     

可开关压裂滑套关键技术研究与应用

针对常规投球多级滑套存在的后续储层改造困难的难题,研制了一种新型分段压裂工具——可开关压裂滑套。相比常规压裂滑套,可开关压裂滑套可在井下进行多次开关。在压裂后期,根据储层改造需要,下入开关工具并对可开关压裂滑套进行开关作业,满足后期储层二次改造作业需求。研制了用于水平井裸眼分段压裂作业的可开关压裂滑套及配套开关工具。开展了工具耐冲蚀技术、反复过孔高压密封技术、滑套锁紧限位技术、开关工具定压节流启动技术、开关显示技术等关键技术研究。通过模拟试验,证明可开关压裂滑套的性能达到设计要求。现场应用20多井次,取得了良好的效果。     

分段压裂球座耐冲蚀性能评价

为了提高分段压裂滑套球座的耐冲蚀性,根据球座材料优选、优化后的流道结构及表面处理技术,加工了4种类型的球座试样,对不同类型的试样进行了冲蚀磨损试验,并对冲蚀后的试样进行了加压密封试验,对比分析了球座的冲蚀程度和耐压能力。分析结果表明,不同结构类型的球座试样冲蚀最严重的部位都发生在球座喉道连接处,即球座与球的密封部位;经过材料优选和结构优化的22°锥角+球弧面密封QT500-7球座,在冲蚀累计过砂200 m3后密封仍可达到70 MPa,满足现场压裂应用条件。研究结果可为与球座类似的工具设计提供依据。     

水平井水力喷射多级压裂工具研制与应用

为了提高水平井水力喷射多级压裂工具的可靠性和耐用性,增加单井喷射压裂级数,研制了多级压裂喷射器及配套工具。水平井水力喷射多级压裂管柱主要由安全接头、内滑套喷射器、无滑套喷射器及单流阀总成等组成。喷嘴采用整体式喷嘴,材质为钨钴硬质合金,内壁有1层耐磨陶瓷合金强化层,可增大过砂量、加大压裂规模;内滑套进行渗氮处理,提高了内表面的耐冲蚀性能。现场应用结果表明,喷射压裂工具的使用性能可靠,喷嘴的扩径很小,且耐磨性能良好,得到了用户的认可。     

分层压裂管柱冲蚀特性数值模拟与实验分析

水力分层压裂技术由于施工排量大、携砂量大、管柱工具井下工作时间长，导致压裂管柱工具部件冲蚀严重。为了研究井下压裂工具冲蚀规律，有针对性分析了井下压裂部件的3种易冲蚀结构:轴向键结构、径向开孔结构和变径结构。采用CFX流场仿真模拟软件，研究了混砂液在易冲蚀结构位置的流场分布，总结出混砂液对易冲蚀结构的冲蚀磨损规律，并通过井下易冲蚀部件实验对有限元计算结果进行了验证。研究表明，键尖冲蚀率随轴向键的键尖形状由大到小变化顺序为:键尖角度60°、90°、45°、180°（键尖圆形）、30°，且键尖部位冲蚀率明显大于键尾冲蚀率；方形出砂口比圆形出砂口抗冲蚀能力强；缩径结构变径比越小冲蚀影响越明显，扩径结构的冲蚀影响可忽略；室内实验结果与有限元计算结果的最大相对误差为10.9%，说明了数值模拟结果的准确性。研究结果为分层压裂工具结构与管柱组合设计提供了理论和施工依据。